Op een kerstfeest tien jaar geleden ontstond een idee in de geest van Robert Hazen. Hazen was destijds een zelfbenoemde 'harde kern'-mineraalfysicus, en net als de meeste wetenschappers (en spelers van 20 vragen) beschouwde hij mineraal als een volledig gescheiden beest van dier en groente. Maar dat zou snel veranderen.
gerelateerde inhoud
- Reis door diepe tijd met deze interactieve aarde
- Het vroege leven kan gedijen in het wrak van een meteoriet
Tijdens het feest vroeg theoretisch bioloog Harold Morowitz aan Hazen of er tijdens de Hadean kleimineralen bestonden - de geologische periode tussen 4, 6 en 4 miljard jaar geleden, toen de vroege aarde zich vormde. Hoewel een fundamentele vraag, was Hazen verrast. Morowitz vroeg in wezen of de mineralogie die bestond toen de aarde nieuw was en mogelijk toen het leven ontstond, anders was dan wat we vandaag zien.
"Geen enkele mineralogist in de geschiedenis had ooit zo'n vraag gesteld", zegt Hazen. Hoewel een mineraalvormingsproces hetzelfde moet zijn, of het nu miljarden jaren geleden of afgelopen dinsdag plaatsvond, besefte Hazen dat er geen reden was om aan te nemen dat mineralen niet konden evolueren, net zoals het leven in de loop van de tijd verandert. Hij en zijn collega's hebben sindsdien aangetoond dat het leven niet geïsoleerd is ontstaan - mineralen hebben het waarschijnlijk geholpen. En terwijl het leven evolueerde, creëerde het een groot aantal chemische niches waarmee nieuwe mineralen konden worden gevormd.
"We zien deze met elkaar verweven co-evolutie van de geosfeer en de biosfeer", zegt Hazen. "Het leven verwekt rock, rotsen verwekken het leven." Zijn team en andere experts in het veld presenteren dit idee in een nieuwe NOVA-functie Life's Rocky Start . Ik ging zitten met Hazen om een beetje te praten over de film en de verbazingwekkende wereld van mineralen (het volgende is lang bewerkt):
Vertel eens wat over de film Life's Rocky Start ?
Life's Rocky Start is het verhaal van de geschiedenis van 4, 5 miljard jaar op aarde, verteld door de ogen van een mineralogist die zelf een soort transformatie heeft ondergaan. Ik begon als mineralogist en dacht zoals de meeste mineralogisten dat mineralen mooie fysieke objecten zijn - ze zijn gevarieerd, ze zijn divers. Maar je kunt het verhaal van mineralen niet vertellen zonder ook het verhaal van het leven te vertellen. Tegenwoordig kennen we 5000 of meer minerale soorten - elk een onderscheidende chemische samenstelling en kristalstructuur. En van die 5.000 is meer dan tweederde het resultaat van de veranderingen die het leven op aarde heeft aangebracht.
Dus wat was het eerste mineraal in het universum?
Toen we diep in de tijd aan mineralen begonnen te denken, had niemand die vraag verrassend genoeg gesteld. Is dat niet geweldig? Op elk gebied is de oorsprong van groot belang - eerste leven, eerste planeten, eerste sterren. Maar mineralogisten hadden nooit gevraagd, wat was het eerste mineraal?
Direct na de oerknal zijn de dingen veel te heet, en zelfs nadat de dingen een beetje gecondenseerd waren, was het alleen waterstof en heliumgas dat het grootste deel van het universum uitmaakte. Ze vormen geen mineralen omdat ze gassen zijn en mineralen kristallen moeten zijn. Het volgende dat waterstof en helium deed, was condenseren tot grote sterren. Sterren zijn motoren van wat nucleosynthese wordt genoemd, of het maken van alle chemische elementen van het periodiek systeem. Mineralen worden gevormd uit die andere elementen.
Wanneer zou je na die eerste ster het eerste kristal kunnen hebben? Het antwoord, zo blijkt, ligt in de gasvormige enveloppen van zeer energieke sterren of exploderende supernova's. Terwijl die gasvormige enveloppen uitzetten en afkoelen, heb je concentraties van elementen die net hoog genoeg zijn en temperaturen net laag genoeg dat de eerste kristallen kunnen vormen. We denken dat dat eerste kristal een microscopische soort diamant was, omdat sterren koolstofrijk zijn en omdat diamant zich vormt bij de hoogste temperatuur van elk bekend kristal.
Hoe zit het met de eerste mineralen op aarde?
Terwijl de gassen rond de vroegste sterren afkoelden, kunnen er een dozijn meer verschillende kristallen zijn die zijn gevormd uit de meest voorkomende elementen: silicium, zuurstof, magnesium, stikstof. Dit waren de allereerste soorten minerale kristallen die de kosmos vervuilden en het stof vormden van die grote wolken die uiteindelijk nieuwe zonnestelsels vormden. De aarde is gevormd uit een van die wolken.
De vroegste planeten hadden misschien 400 of 500 mineralen. Toen planeten zoals de Aarde zich in de loop van een miljard jaar ontwikkelden, hebben we misschien tot 1500 mineralen gekregen, allemaal gevormd uit pure chemische en fysische processen. Verder is er geen ander denkbaar fysisch of chemisch proces dat we kennen voor een aarde-achtige planeet om meer mineralen te maken - totdat je leven hebt.
Hoe hebben mineralen het vroege leven beïnvloed?
De minerale oppervlakken beschermen, organiseren en vormen. Ze nemen die moleculen en selecteren en concentreren ze ... ze helpen die moleculen reageren om langere en langere structuren zoals celmembranen en polymeren te vormen. We weten dat moleculen zich eenvoudigweg niet op die manier kunnen organiseren in de oceaan of de atmosfeer - ze zijn veel te verdund, ze zijn veel te willekeurig. Het waren oppervlakken, zoals mineralen, die zowel de energie als het concentratiemechanisme leverden dat nodig is om moleculen samen te brengen in de belangrijkste stappen voor de oorsprong van het leven.
De grootste vraag is: hoe ga je van moleculen georganiseerd op een mineraal oppervlak naar een set moleculen die kopieën van zichzelf maakt? We weten zeker dat dit het fundamentele kenmerk is van het leven, zelfreplicatie, en we weten dat een vroeg systeem van moleculen die truc moet hebben ontdekt. Misschien hebben de mineralen dat proces geleid, of misschien waren ze slechts een handige plek voor moleculen om elkaar te ontmoeten en te organiseren, en gewoon door een puur toeval, kwamen precies de juiste set moleculen samen en vormden dit zichzelf replicerende systeem.
Calciet (Cumbria, Engeland), uit de collecties van het Mineralogical & Geological Museum aan de Harvard University. (Rob Tinworth) 
Een trilobiet, uit de collecties van het Museum of Comparative Zoolology aan de Harvard University. Hoewel nauw verwant aan moderne hoefijzerkrabben, gingen trilobieten 251 miljoen jaar geleden uitgestorven. (Rob Tinworth) 
Goethite (Californië), uit de collecties van het Mineralogical & Geological Museum aan de Harvard University. (Rob Tinworth) 
Flourite (Cumbria, Engeland), uit de collecties van het Mineralogical & Geological Museum aan de Harvard University. (Rob Tinworth) 
Azurite (Arizona), uit de collecties van het Mineralogical & Geological Museum aan de Harvard University. (Rob Tinworth) 
Rhodochrosiet (Peru), uit de collecties van het Mineralogical & Geological Museum aan de Harvard University. (Rob Tinworth) 
Malachite (Arizona), uit de collecties van het Mineralogical & Geological Museum aan de Harvard University. (Rob Tinworth) 
Labradoriet (Madagaskar), uit de collecties van het Mineralogical & Geological Museum aan de Harvard University. (Rob Tinworth) 
Variscite (Utah), uit de collecties van het Mineralogical & Geological Museum aan de Harvard University. (Rob Tinworth) 
Robert Hazen bestudeert dunne plakjes gesteente onder een microscoop in zijn laboratorium aan het Carnegie Institution. (Doug Hamilton) 
Een tand van een oude mega-haai gevonden in de buurt van de Chesapeake Bay, Maryland. (Doug Hamilton) 
Stromatolieten, sedimentaire structuren gemaakt door matten van levende microben, steken door het wateroppervlak in Shark Bay, Australië. Fossiele stromatolieten vertegenwoordigen enkele van de oudste bekende bewijzen van leven op aarde. (Doug Hamilton) 
Martin Van Kranendonk en David Flannery inspecteren een 2, 7 miljard jaar oud fossiel stromatoliet. (Doug Hamilton) Ontwikkelen mineralen zich vandaag nog steeds?
Ja, natuurlijk zijn ze dat. We gaan een periode van zeer snelle evolutie in als gevolg van menselijke activiteiten - het Antropoceen. Mensen veranderen de omgeving nabij het oppervlak en wanneer je dat doet, creëer je nieuwe chemische niches waar mineralen kunnen ontstaan. We veranderen de geochemische cyclus van vrijwel elk element. We ontginnen dingen, we bouwen dingen, we verplaatsen dingen en we bouwen chemische fabrieken. Een van de gevolgen hiervan is dat er nieuwe mineralen ontstaan.
Er zijn mineralen die alleen voorkomen in mijnstortplaatsen of zure mijnafwateringen. Er zijn nieuwe mineralen die alleen op het hout van mijnsteunen voorkomen. Stortplaatsen hebben nu verweringsproducten van oude computerschermen en iPhones, die nieuwe mineralen vormen van zeldzame aardelementen die nog maar net worden ontdekt.
Waarom zouden mensen om mineralen geven?
Mineralen zijn ongelooflijk geweldig. De film laat zien dat mineralen een esthetische schoonheid hebben - een pure magie. Ze zijn belangrijk voor elk facet van de samenleving: we zouden geen technologie hebben en geen van de gemakken van het moderne leven zonder het minerale rijk. Dat is gemakkelijk te vergeten, omdat we geïsoleerd zijn van de mijnbouw en de verwerking en de chemische behandeling van deze producten. Maar onze moderne wereld wordt vergemakkelijkt door mineralen. Ik denk dat het zien van mineralen in deze rijkere context van een co-evoluerende geosfeer en biosfeer gewoon lagen zijn die veel belangrijker en interessanter zijn voor het onderwerp.
Voor de NOVA-documentaire heb je over de hele wereld gefilmd. Wat was je favoriete plek om te bezoeken?
Ik ben zeker dol op Marokko en ik ben er nu een half dozijn keer geweest. Maar naar West-Australië gaan - het was een voorrecht om in dit ongelooflijk afgelegen, ongelooflijk mooie, hoewel schaarse, verlaten en gevaarlijke land van de Pilbara te zijn. De 3, 5 miljard jaar oude rotsen vormen een klein eiland van de oude aarde dat in wezen onvervormd is. De rotsen hebben nooit het soort verandering en erosie ervaren dat bekend staat om vrijwel alle jongere rotsen.
Het is gewoon een verbazingwekkende plek. Het is als een bedevaart voor een geoloog. Om dat te zien en te kunnen delen met enkele van 's werelds experts is iets dat elke geoloog veel ervaring zou kunnen opdoen. Ik zag de ontlasting eerst en fris door mijn eigen ogen, maar toen leerde ik van hen en kon het zien door de ogen van anderen die meer ervaren zijn. Dat was een echt transformerende ervaring.
De documentaire Life's Rocky Start wordt woensdag 13 januari om 21.00 uur ET uitgezonden op PBS.
Meer informatie over dit onderzoek en meer op het Deep Carbon Observatory.
